Физиологическое действие диоксинов

Спектр физиологического действия диоксинов черезвычайно широк. Ситуация усугубляется ксенофобностью этих соединений: за миллионы лет эволюции природа с ними не сталкивалась, и организм человека не научился от них защищаться.

Токсикологические характеристики диоксинов и подобных им соединений зависят от положения атомов хлора в молекуле. Особенно токсичны вещества, содержащие галогены в тех же местах, что и в молекуле 2,3,7,8-ТХДД - самого ядовитого из диоксинов. Он более ядовит, чем известный кураре, стрихнин, и сопоставим по отдельным характеристикам с ядами, используемыми в качестве химического оружия, являясь самым смертельным ядом из всех известных человечеству. Но диоксинов по химическому составу много, токсичность у них различная и человечество, сталкиваясь с ними, подвергается воздействию их смесей. Токсичность смесей оценивается по особым системам, где каждому соединению присваивается коэффициент токсичности относительно 2,3,7,8-ТХДД, и общая токсичность смеси выражается в эквивалентном количестве этого соединения (т.н. "диоксиновый эквивалент", ДЭ).

Однако реальное воздействие диоксинов на человека и окружающую среду не адекватно их острой токсичности. Данные последних лет показали, что основная опасность диоксинов заключается не столько в острой токсичности, сколько в кумулятивности действия и отдаленных последствиях хронического отравления малыми дозами.

Наиболее очевидное проявление действия диоксинов - заболевание "хлоракне", рецидивирующее гнойничковое заболевание кожи. Известное ещё с начала 20 века как профессиональное заболевание рабочих хлорных производств, оно является специфическим симптомом острой диоксиновой интоксикации. Хлоракне возникает спустя 1-2 месяца после начала контакта с диоксинами в дозах от 0,1 до 3 мг/кг, приводит к тяжелой форме угрей и прогрессирует со временем, если контакт не прекращается.

Кроме того, диоксины вызывают такие кожные заболевания как гиперпигментация кожи (темные пятна), гипертрихоз (избыточный рост волос), актинический кератоз (утолщение кожи), гирсутизм (избыточный рост волос на лице у женщин). Однако данное специфическое проявление, как отмечалось, возникает в основном при профессиональных контактах с диоксинами; у лиц, явно не контактирующих с ними, но подвергающихся косвенному воздействию (например, в силу загрязнения окружающей среды), диоксиновая интоксикация выражается в ряде "скрытых" эффектов неблагополучия.

Так, в результате многочисленных исследований и наблюдений выяснилось, что одним из неблагоприятных факторов воздействия диоксинов на здоровье людей является их влияние на иммунную систему. Было установлено, что интоксикация любыми экзогенными химическими соединениями непременно влечет за собой патофизиологические и биохимические изменения (т.н. "токсический стресс"). Данные изменения наряду с другими системами непосредственно затрагивают и иммунную. Вместе с тем, до недавнего времени роль иммунного компонента в патогенезе токсикологического процесса недооценивалась. Ситуация изменилась после публикации работ, изучавших особенности иммуногенеза в условиях интоксикации. При этом было обнаружено, что при действии многих промышленных ядов (бензола и его производных, ТХДД, тетрахлорметана, галогенированных ароматических углеводородов, многих пестицидов и гербицидов) происходит повреждение отдельных звеньев клеточного и гуморального иммунитета. Его подавление влечет за собой развитие иммунодепрессивного состояния, снижение адаптивности организма к изменяющимся условиям внешней среды.

Изучению иммуносупрессорных эффектов диоксинов были посвящены работы J.A. Chasfaim, Th.L. Pazdernik, исследовавших влияние ТХДД на систему В-лимфоцитов мышей, вводимого однократно в дозах 30, 60 и 120 мкг/кг массы. В результате было выявлено значительное обеднение клеточного состава лимфоидных органов: селезенки и костного мозга, подавление продукции клетками этих органов антителабразующих клеточных элементов при иммунизации тимуснезависимыми антигенами, а также уменьшение числа В-лимфоцитарных колониеобразующих единиц в костном мозге. Обнаруженные иммунологические изменения были наиболее выражены через 14-21 день после затравки ТХДД. При внутрижелудочном введении ТХДД взрослым мышам наблюдалось подавление Т-зависимой и Т-независимой реакции антител после разрешающей инъекции антигенов. Супрессорное действие ТХДД на дифференцировку стволовых и В-клеток зарегистрировано и в опытах in vitro (M.J. Lusfer al, 1984), что позволяет предположить наличие в иммунокомпетентных клетках высокочувствительного к ТХДД рецептора.

Последующие иммунотоксикологические исследования выявили, что впредь хроническому воздействию токсиканта, существенные изменения функциональной активности иммунокомпенетных клеток могут происходить уже в первые часы после однократного поступления в организм превышающих ПДК доз, оказывая при этом решающее влияние на все дальнейшее течение патотоксикологического процесса. Так, в ранние сроки после начала токсического воздействия Молодюк А.В. наблюдал увеличение размеров лимфоидных узелков селезенки. Эти данные подтверждают преположение о том, что в ранние сроки после начала токсического воздействия иммунные органы отвечают своей ранней активацией. Продолжительность этой фазы обратно пропорциональна концентрации, токсичности и дозе воздействующего токсиканта (Present L. 1985), а в последующем характерно истощение защитного потенциала лимфоидной ткани. К основным иммунологическим проявлениям отравления ТХДД относятся гипоплазия лимфоидной ткани, атрофия тимуса, потеря массы тела. Морфологически это проявляется в уменьшении количества клеток лимфоидного ряда, в появлении большого числа деструктивно измененных клеток и, в связи с этим, увеличении числа макрофагов в лимфоидной ткани; снижается количество митотически делящихся клеток.

По данным R. Malinverni (1987), супрессия лимфоидной ткани в виде деффекта клеточного и гуморального иммунитета крайне повышает чувствительность организма как к внутриклеточным микроорганизмам, так и к инфекциям, инкапсулированными внеклеточными микроорганизмами. В целом, необычайно высокая восприимчивость к инфекциям рассматривается в настоящее время как одно из основных проявлений вторичного, в том числе химического, иммунодефицита, что выражается в повышенной частоте инфекционных заболеваний, их необычной тяжести, продолжительности, нередко осложненном течении.

Установлено, что на территориях, прилегающих к предприятиям по производству хлорорганических веществ, отмечается более высокая заболеваемость вирусным гепатитом, геморрагической лихорадкой, кишечными и другими инфекциями среди населения.

Не без основания специалисты обвиняют диоксины и в том, что, снижая функциональную активность системы иммунной защиты, вмешиваясь в процессы деления и специализации клеток, они провоцируют развитие онкологических заболеваний. Так, канцерогенная активность диоксинов по отношению к животным давно не вызывает сомнений. По данным R.J. Kociba et al. (1978), ежедневное поступление ТХДД с пищей в дозе 0,1 мкг/кг в течение 2 лет способствовало увеличению частоты возникновения гепатоцеллюлярных и чешуйчатоклеточных карцином легких. Следует отметить наблюдавшееся также снижение прироста массы тела и уменьшение эритропоэтической активности. По данным этих исследований, при снижении ежедневной дозы ТХДД до 0,01 мкг/кг в печени развивались специфические узелки (предраковое состояние), а в легких возникали очаги гиперплазии авельолярных клеток. Близкие результаты были опубликованы A. Von-Miller et al (1977).

В отношении же человеческого организма, данные о канцерогенности диоксинов долгое время оставались противоречивыми. Ещё в конце 70-х гг. было обнаружено, что у сельскохозяйственных рабочих, подвергшихся воздействию хлорфенолов и феноксигербицидов, содержащих диоксины, риск заболевания саркомой мягких тканей увеличен в 6 раз. Несколько позже появились многочисленные сообщения о случаях сарком у рабочих, участвовавших в производстве 2,4,5-ТХФ и гербицида 2,4,5-Т и подвергшихся воздействию диоксина. Кроме того, неоднократно сообщалось о статистически значимом увеличении у этой группы людей частоты злокачественных новообразований различных органов и тканей. При выявленной довольно четкой корреляции между воздействием феноксигербицидов и хлорфенолов с одной стороны и развитием злокачественных лимфом с другой, длительное время оставался дискуссионным вопрос, какой из воздействующих ксенобиотиков был непосредственной причиной канцерогенных эффектов.

Лишь недавно были получены свидетельства того, что диоксины являются прямыми канцерогенами для человека. В исследовательской работе были подведены итоги многолетнего ретроспективного изучения смертности среди рабочих США, пораженных диоксинами. Всего было обследовано более 5 тысяч рабочих с 12 предприятий; результаты обследования показали статистически значимое повышения риска новообразований среди рабочих, имевших контакт с диоксином более 1 года. Тот же вывод следует из обследования, выполненного в Германии среди более чем 1550 рабочих, занятых на производстве гербицидов. В этом случае также было обнаружено резкое повышение канцерогенного риска.

В результате на основании полученных данных диоксины и диоксиноподобные вещества были отнесены к веществам I группы опасности из-за канцерогенности. При воздействии несколько более высоких концентраций, диоксины вызывают мутагенный, тератогенный и эмбриотоксический эффект. Следует отметить, что генотоксическое воздействие диоксинов и сходных мутагенных ксенобиотиков, проявляясь на различных этапах реализации генетической информации, размножения и индивидуального внутриутробного развития эмбриона, представляет собой один из наиболее опасных биологических эффектов; серьезная опасность и в том, что именно мутационная изменчивость ведет к наследственной патологии, сохраняющейся и накапливающейся в последующих поколениях.

К настоящему времени генетиками, гигиенистами и токсикологами накоплен обширный материал о выявленных спонтанных мутациях вследствие воздействия многих химических ксенобиотиков; были расшифрованы и некоторые молекулярные механизмы, вызвавшие их активацию. По мнению М.Е. Лобашева, для того, чтобы химический агент обладал свойствами мутагена, он должен, не нарушая жизнеспособности клетки, легко проникать внутрь и, достигнув клеточного ядра, реализовать свое влияние на физическую структуру и химический состав хромосом. Ряд авторов полагает, что способностью индуцировать генные мутации обладают до 90% применяемых гербицидов и пестицидов (L. Mott, 1988). Индукция повреждений хромосом лимфоцитов периферической крови была зарегистрирована при действии 2,4,5-Т, трихлорфона, дихлофоса, а также фталофоса, севина, валексона и т.д. (М.А. Пилинская, 1986).

Индуцирование цитогенетических изменений in vivo и in vitro в сложном и комплексном действии диоксинов на процессы наследственности побудило исследователей рассмотреть проявления не только мутагенного, но и гонадотропного воздействия. Поражение наследственного аппарата половых клеток выявлялось как во время внутриутробного формирования, так и (более часто) у половоззрелого организма в результате опасной в отношении профессиональных вредностей деятельности, проживания в экологически небезопасной обстановке и др.

Гонадотоксическое действие химических соединений (экзотоксикантов) существенно влияет на частоту возникновения различных дефектов у новорожденных. При этом, кроме опосредованного влияния диоксинов на репродуктивную функцию человека (нарушение нейрогуморальной регуляции размножения, заболевания других органов и систем), характерно и непосредственное специфическое действие токсиканта на половую систему, вызывающее развитие патологии в виде ее структурно-функциональных изменений на различных этапах онтогенеза.

Гонадотоксические эффекты диоксиновой интоксикации могут проявляться как снижением функциональной способности женской половой системы в ходе оплодотворения, так и существенными изменениями морфологии и качества половых клеток. Клинически это проявляется в нарушении процессов оплодотворения (воздействие на гормональный фон), а также в различных сдвигах последующего развития оплодотворенной яйцеклетки, вплоть до внутриутробной гибели плода. В мужских половых железах отмечаются различной выраженности дегенеративные процессы, вплоть до полного прекращения сперматогенеза, наблюдающегося при сочетаном воздействии ксенобиотических факторов.

Взаимосвязь между патологией процессов имплантации и внутриутробного развития плода с одной стороны и влиянием токсикантов на материнский организм с другой была подробно изучена во многих исследовательских работах. В их ходе были получены новые данные о патогенезе поражений, вызываемых ТХДД в отношении развивающегося организма. Выяснилось, что ТХДД и родственная ему группа соединений имеет непосредственное влияние на состояние рецепторов эпидермального фактора роста (ЭФР). В частности, известно, что попадание ТХДД с материнским молоком имитирует у животных-сосунков эффекты экзогенного ЭФР: раннее открывание глаз и прорезывание зубов. Предварительное введение мышам ТХДД (115 мкг/кг внутрибрюшинно) тормозило связывание ЭФР с соответствующими рецепторами изолированных плазматических мембран с гепатоцитами. Эти факты позволили предположить, что аномалии развития эмбрионов, гипотрофия новорожденных под воздействием ТХДД обусловлены его влиянием на функционирование рецепторов ЭФР. Подтверждением тому явились и наблюдаемые случаи рождения детей с повышенной частотой врожденных дефектов: имеющими неврологические патологии, более позднее созревание, сниженный иммунитет у родителей, подверженных диоксиновой интоксикации.

Прицельно изучая медико-биологические последствия воздействия диоксина, исследователи утверждают, что нет такого органа или системы, которые не были бы подвержены пагубному влиянию этого суперэкотоксиканта. Он нейротоксичен, поражает эндокринные железы: из-за разрушительных действий в щитовидной, поджелудочной, половых и других железах, диоксины по праву относят к гормональноподобным экотоксикантам. Согласно новым представлениям, токсикологическая агрессия токсиканта в отношении эндокринной системы во многом объясняется молекулярным сходством ТХДД и стероидных гормонов, что позволяет ему вмешиваться в функционирование системы внутриклеточной сигнализации, осуществляемое этими гормонами. В соответствии с этим, ТХДД вызывает преждевременное старение и ускоряет приближение программированной гибели клеток эндокринных желез.

Проявлению высокой токсичности диоксинов, наряду с их гидрофобностью и высокой стабильностью, способствует также их проникновение в цитоплазму и связывание со специфическим биологическим рецептором. Им является цитозольный белок клеток-мишеней - так называемый Ah- рецептор (aromatic hydrocarbonhydroxilase). Некоторые исследователи называют его диоксиновым, хотя этот вопрос остается дискуссионным. Диоксин и родственные ему соединения обладают исключительно высоким сродством к Ah-рецептору. Эта особенность увеличивает длительность их взаимодействия, и тем самым вероятность проявления токсических эффектов.

Способностью связываться с этим рецепторным белком обладают также некоторые ароматические углеводы с планарной структурой (ПАУ). Однако в сравнительной характеристике их биохимических свойств биоактивность диоксина значительно выше, чем ПАУ. Это объясняется тем, что из-за высокой стабильности диоксина в клетке и стабильности его комплекса с биорецептором каждая его молекула способна многократно участвовать в индукции синтеза окислительных ферментов. Вследствие этого и концентрации диоксина, обеспечивающие биоактивность, на четыре порядка ниже, чем концентрации нециклических ароматических углеводородов.

Рассмотрение патогенеза диоксиновой интоксикации на внутриклеточном уровне повлекло за собой тщательный анализ последовательности событий, инициируемых попаданием токсина in vitro. Стало очевидно, что главную роль при этом играет токсикокинетика яда и механизм его действия, то есть параметры, определяемые исключительно его химической структурой. В последнее время была выявлена четкая корреляция между токсичностью и сродством диоксинов к Ah-рецептору.

Считается, что, будучи перенесенным в ядро клетки, комплекс диоксина с цитозольным Ah-рецептором участвует в активации генов, контролирующих синтез гемопротеинов, а также обычно репрессированных генов, приводя к соответствующим токсикологическим последствиям. При формулировании конкретного механизма влияния предполагается, что в ядре комплекс диоксина с Ah-рецептором активирует определенный участок ДНК (Ah-локус), что влечет за собой стимуляцию экспрессии генов, кодирующих структуру микросомальных оксигеназ, зависимых от цитохромов Р₁-450, Р₂-450, и Р₃-450. В результате индуцируются микросомальные оксидазы, главным образом гидроксилазы ароматических углеводородов и определенные формы цитохрома Р-450 (Р-458). Именно эта последовательность событий определяет наблюдаемое при отравлении ТХДД черезвычайно значительное повышение активности в тканях (преимущественно печени) ряда ферментов за счет синтеза de novo: глутатионтрансфераз, арилгидроксилаз и других ферментов биотрансформации ксенобиотиков и веществ эндогенного происхождения. S. Safe et al (1989) провели исследование влияния полихлорированных дибензо-п-диоксинов, бифенилов и полибромированных дибензо-п-диоксинов на индукцию в печени экспериментальных животных гидроксилазы ароматических углеводородов. При этом была выявлена корреляция между индуцирующей эфективностью этих соединений in vivo и в культуре клеток печени in vitro, а также связь индукции фермента с токсическими проявлениями (потеря массы тела, атрофия тимуса и проч.).

В последствиях индуцирующего эффекта особенно неблагоприятным является вызванное им накопление гемопротеидов (цитохрома Р-448 или Р-450). Вступив в биохимическую реакцию, они катализируют окисление различных ароматических углеводородов, арилалкиловых эфиров, ариламинов и т.д. В рамках этого механизма происходит и превращение в эпоксиды различных непредельных соединений - терпенов, микотоксинов и т.п.

Таким образом, под действием диоксинов в пораженных организмах происходят несколько параллельных процессов - не только разрушение низкомолекуллярных гормонов, витаминов, лекарств, метаболитов, но и биоактивация предшественников мутагенов, канцерогенов, нейротоксических ядов. Существуют опасения, что вызываемые диоксином трансформации способны влиять на токсичность природных и синтетических соединений.

Ещё один отрицательный эффект заключается в том, что индуцированный диоксином цитохром Р-450 также оказывается биомишенью диоксина, образуя с ним устойчивый комплекс. Этот комплекс обеспечивает включение в клетке механизма трансформации части энергетических ресурсов в процессе одноэлектронного окисления с участием молекулярного кислорода. В результате этого, а также интенсификации ферментативных процессов становится неизбежным образование свободных радикалов, накопление пероксида водорода. Взаимодействуя с фосфолипидами клеточных мембран и субклеточных образований, они стимулируют процессы перекисного окисления. Свободнорадикальные реакции перекисного окисления мембранных фосфолипидов (ПОЛ) являются существенным фактором, определяющим цитологические эффекты диоксина.

В настоящее время изучение ПОЛ в связи с интенсивным изучением ксенобиотиков приобрело более высокую значимость в молекулярной токсикологии. Поражение мембранных структур является универсальным механизмом в интоксикации химической этиологии. Таким образом, с определенными допущениями, патогенез поражений ТХДД следует рассматривать с позиций общих механизмов "мембранной гибели" клеток: нарушения функционирования их интегральных компонентов - ионных каналов, рецепторов гормонов, нейромедиаторов и встроенных в мембраны ферментов. Стало очевидным, что изменения вследствие активации ПОЛ касаются не только систем клеточной автоматики, но также и путей межклеточной коммуникации.

В целом, черезвычайно сложный механизм развития патологических реакций при отравлении ТХДД косвенно указывает и в некоторой степени объясняет гетерогенность его клинико-биохимических проявлений. В проведенных ранее исследованиях были зафиксированы выраженные видовые особенности токсического действия ТХДД, а также различия в проявляемой чувствительности, что подтвердило значительную вариабельность токсикокинетики данного соединения. Так, в результате выяснилось, что в случае липофильного ксенобиотика одним из существенных факторов дальнейшего распределения является их связывание жировой и мышечной тканью. Были получены данные, говорящие о том, что в организме грызунов диоксин накапливается преимущественно в печени и жировой ткани, при обследовании человека и приматов ТХДД определялся также в коже и мышечной ткани.

Интересные данные о токсикокинетике ТХДД были представлены P.C. Kah et al. (США, 1988). Объектом наблюдения являлись военнослужащие армии США, принимавшие непосредственное участие в распылении над джунглями Вьетнама дефолианта Agent Orange.Содержание ТХДД в подкожной клетчатке у лиц этой группы было повышено по сравнению с контрольной группой лиц, не имевших непосредственного контакта с агентом с 5,1 до 51,7 пг/г, а в плазме крови - с 6,6 до 46,3 пг/г жирового компонента крови. Различий в содержании ряда других замещенных диоксинов, обычно обнаруживаемых у жителей индустриально развитых стран, не выявлено. Была отмечена выраженная корреляция между содержанием ТХДД в жировой ткани и жировом компоненте крови, что подтверждает существование подвижного равновесия между двумя названными депо.